- Өлшеу техникасы мен ғылымның және өндірістің өзара байланысы
- Негізгі анықтаулар мен түсініктер
- Өлшеулердің бірлігін қамтамасыздандырушы мемлекеттік жүйе
- Стандарттаудың мәні және оның мақсаттары
- Физикалық шамалардың түрлері
- Өлшеу шкалалары
- Өлшеу ақпараты
- Физикалық шамалар мен олардың бірліктер жүйесі
лекция. лшеу техникасы мен ылымны жне ндірісті зара байланысы
 Скачать 5.49 Mb.
|
|
Өлшеу – адамның тәжірибелік әрекеттер теориясын біріктіретін табиғаттың адамға тағайындалған жолдарының бірі болып табылады. Ол ғылыми бөлімдердің бірі болып саналады, материалдық рессурстарды санау, өнімнің қажетті сапасын қамтамасыз ету, технологияны толығымен жетілдіру, өнімді автоматтандыру үшін және адам қызметінің көптеген басқа салалары үшін қызмет етеді. Өлшеу мен өлшеу техникасының теориялық негізі болып жалпы метрология жатады, ол объектінің қасиеттері мен берілген дәлділігі мен сенімділігі жөніндегі мөлшерлі ақпараттары алу үшін арналған пән болып табылады. Өлшеу басқару немесе бақылау объектісі жөніндегі мөлшерлі ақпараттарды алуды қамтамасыз етеді, техникалық процестің барлық берілген шарттарын дәл көрсету, бұйымның жоғарғы сапасын қамтамасыз ету және объектіні тиімді түрде басқару мүмкін емес. Берілген оқу құралы өлшеу мен құралдарын таңдап алу, әртүрлі физикалық шамаларды өлшеуге, өлшеу нәтижелерінің дәлдігін бағалауға байланысты өндірістік және ғылыми есептерді шешу үшін қажет білімдер мен дағдылық негіздерін беретін мәселелер қарастырылған. Өлшеу техникасы метрологиялық эксперименттер жасау, өлшеу нәтижелерін өңдеу және метрологиялық жұмыстарды стандарттау мен сертификаттаудың жалпы ережелерін оқытатын ғылым ретіне де көзқарас қалыптастырады. «Өлшеу» ұғымы әртүрлі ғылым (математика, физика, химия, психология, экономика және т.б.) салаларында кездеседі және олардың әрқайсысында ол әртүрлі түсіндірілуі мүмкін. Бұл курста автоматтандыру мен басқару саласында физикалық шамаларды өлшеуге қатысты мәселелер ғана қарастырылады. Кез-келген өнімді өндіру бірнеше өлшеулер жүргізу арқылы жасалынады. Өлшеу арқылы өнімнің сапасына, өлшем бірліктеріне басқада қасиеттеріне қойылатын талаптар анықталады. Өлшеу техникасы мен ғылымның және өндірістің өзара байланысы Адамзат тарихы дамуының барлық кезеңдері өлшеуді қолданумен дамып келді және оны қолданумен сипатталады, өлшеусіз ғылым саласында бірде-бір жаңалық ашу мүмкін емес. Кез-келген өнімді өндіру бірнеше өлшеулер жүргізу арқы-лы жасалынады. Өлшеу арқылы өнімнің сапасына, өлшем бірлік-теріне басқада қасиеттеріне қойылатын талаптар анықталады. Өнімнің сапасының жетілуі де өндіріс орнындағы өлшеу жұмыстарының қаншалықты жоғары деңгейде ұйымдастырылғанан көрсетеді. Өлшеу техникасының дамуы арқасында өлшеу нақтылығы жоғарлайды, ал ол өз кезегінде ғылым саласында жаңадан жетістіктерге жетелейді. Мысалы микроскопты іс жүзіне енгізу микроорганизмдерді зерттеуге мүмкіндік берсе ол кейіннен микробиология ғылымының пайда болуына себеп болды. Көбінесе қандайда бір құбылыстарды зерттеу үшін неғұрлым жетілдірілген аппаратураның қажеттілігін туғызады. Сондай-ақ ғылымдағы жаңалықтар өлшеу техникасының жетіле түсуіне себеп болады немесе өлшеу техникасының жаңа түрінің пайда болуына себеп болады. Электрлік құбылыстарды алғашқы зерттеуге деген ұмтылыстар осы мақсатта пайдалануға қажетті аспаптарға деген сұраныстар туғызды. 1744 жылы М.И. Ломоносов «электричество взвешено, быть может» деген ой айтты және кейіннен Г.В. Рихманмен бірігіп көрсеткіші және шкаласы бар электрөлшегіш аспап ойлап тапты. Электр теориясының дамуына байланысты жаңа заңдар ашылды және осы заңдар негізінде өлшеудің жаңа әдістері ойлап табылды және өлшеу практикасы жетіле түсті. Өлшеу аспаптарының алуан түрлілігі мен өлшеу әдістерінің дамуы негізінде ғылымның жаңа саласы - метрология – нақты өлшеулер туралы ғылымы пайда болды. Негізгі анықтаулар мен түсініктер Өлшеу принципі- өлшеу негізделген физикалық құбылыстардың жиынтығы. Өлшеу - белгілі бір физикалық шамамен оның өлшем бірлігі ретінде қабылданған мән арасындағы сандық қатынасты іс жүзінде анықтауға арналған ақпараттық процес. Ақпарат- объект туралы алғашқы белгісіз білімдерді азайтуға ықпал жасайтын мәліметтер жиынтығы. Өлшеу эксперименті–қандайда бір нақтылықпенөлшеу нәтижесін анықтауға арналған, ғылыми тұрғыда негізделген әдіс. Өлшеу жабдығы – өлшеу экспериментін жүргізуге қолданылатын техникалық сипаттамалары мөлшерленген техникалық құрылғы. Cигнал – ақпараттың материалдық тасымалдаушысы. СИ – халықаралық бірліктер жүйесі – SI (System International). Өлшеу нақтылығы – өлшеу нәтижесінің өлшенетін шаманың ақиқат мәніне жуықтық дәрежесі. Бақылау– бақыланып отырған объекті қасиеттерінің неме-се сипатының белгілі бір мөлшерге сәйкестігін анықтау процессі. Өлшеу ақпаратын алу үшін қолданылатын өлшеу жабдықтарын жасау мен оларда дұрыс пайдалану және бұл кезде пайда болатын ғылыми сұрақтармен айналысатын ғылым өлшеу техникасы деп аталады. Өлшеу техникасының негізгі бір бөлігі электрлік өлшеу техникасы болып табылады. Электрлік өлшеу техникасы – электрлік өлшеу жабдықтарын (өлшеу ақпараты негізінен алғанда электр сигналдарының көмегімен тасымалданаты аспаптар) жасау, пайдалану және оларды ғылыми зерттеу мен байланысты адамдардың ғылыми - өндірістік қызметінің бір саласы. Физикалық шамаларды электрлік өлшеу аспаптарының көмегімен өлшеу – электрлік өлшеу деп аталады. Өлшеу нәтижесі - өлшеу жабдығы көмегімен эксперимент арқылы алынған физикалық шаманың өлшем бірлігі бар сан мәні. Өлшеу жабдықтары мен оның түрлері барған сайын көбейе түсуде және олардың сандық немесе сапалық дамуы өлшеудің біртектілігін қамтамасыз ету аясында болуы керек, яғни өлшеу нәтижесі заңдастырылған өлшем бірліктері мен сипатталуы тиіс. Өлшеулердің бірлігін қамтамасыздандырушы мемлекеттік жүйе Өлшеу жүргізген кезде олардың бірлігін қамтамасыз ету қажет. Өлшем бірлігі деп - өлшеу сапасының сипаттамасы түсіндіріледі, ол кезде өлшеу нәтижелері заңдылықтармен алынған бірліктермен өрнектеледі, өлшемдері шартты шегі бойынша көрсетілген шама өлшемдеріне тең, ал өлшеу нәтижесінің қателіктері берілген ықтималдықта ғана белгілі және шартты шегінен аспайды. “Өлшем бірлігі” деген ұғым аса маңызды түсініктеме. Ол метрологияның маңызды мәселелерінен тұрады: ФШ-ның бірліктерін үлестіру, шамаларды ұдайы қайталау жүйесін өңдеу және олардың өлшемдерін тұрақты дәлдіктегі жұмысшы құралдарға беру, т.б. мәселелер қатары. Бірлік ғылым мен техникаға қажетті кез-келген дәлділікті қамтамасыз етуі тиіс. Өлшеу құралдарын тиісті деңгейге жеткізу мен сол деңгейде ұстау бекітілген ережелер, талаптар және нормаларға сәйкес жүргізілетін мемлекеттік, ведомствалық қызметтерге бағытталған. Өлшем бірлігін қамтамасыз етудің мемлекеттік деңгейдегі қызметкершілі-гі Мемлекеттік өлшем бірлігін қамтамасыз ету жүйесінің (МӨЖ) стандарттары мен немесе метрологиялық қызмет органдарының нормативті құжаттарымен белгіленеді. Өлшем бірлігін қамтамасыз ету үшін кез-келген шаманың барлық СИ-де градуирленген бірліктердің үйлесімділігі қажет. Бұл ФШ-дың бекітілген бірліктерін арнайы мекемелерде дәл көрсету және сақтау мен олардың өлшемдерін қолданылатын СИ-ге беру жолымен орындалады. Физикалық шаманың бірліктерін көрсету – бұл мемлекеттік эталондарға және үлгілі СИ-ге байланысты дәлдігі ең жоғары елдердің ФШ-ның бірліктерін материалдау операциялары-ның жиынтығы. Олар негізгі және туынды бірліктерді көрсету болып бөлінеді. Негізгі бірліктерді көрсету – ол бірліктердің анықталуына байланысты ФШ-ды белгіленген өлшем бойынша құру жолдары арқылы көрсету болып табылады. Ол мемлекеттік алдыңғы эта-лондар арқылы іске асады. Мысалы, масса бірлігі – 1килограмм (дәл), ол Халықаралық өлшемдер мен салмақтар бюросында сақталған платинді иридиялы таразы тасы түрінде көрсетілген, оның халықаралық мәні – 1кг. РФ-ның Мемлекеттік эталонының құрамына кіретін платинді иридиялы таразы тасының соңғы халықаралық салыстыру (1979) негізіндегі массасы 1,000000087кг болды. Туынды бірлікті көрсету – бұл ФШ-дың көрсетілген бір-ліктеріндегі мәнін өлшенетін шамаға функционалды байланыстағы басқа шамаларды жанама өлшеу және анықтау. Сонда Ньютонның – күшін көрсету - механикада белгілі F = mg теңдеуімен жүзеге асады, мұндағы m – дененің массасы, g – еркін құлау үдеуі. Өлшем бірлігін беру – тексеріп өлшеу құралдарында сақ-талған ФШ бірліктерінің өлшемін оларды тексеру немесе калибр-леу кезінде көрсетілетін немесе эталонмен сақталатын бірліктер өлшеміне келтіру. Өлшем бірліктері “жоғарыдан төменге” қарай беріледі - СИ-дің жоғарғы дәлдігінен төменгі дәлдікке қарай. Бірліктерді сақтау – берілген СИ-ге тән өлшем бірліктерінің уақыт бойынша өзгермеуін қамтамасыз ететін операциялардық жиынтығы. ФШ-ның бірлік эталондарын сақтау кезінде эталонның метрологиялық сипаттамаларын орнықты шектулерде ұсталуына мүмкіндік жасайтын өзара байланысқан операциялардың жүргізілуін алдын-ала береді. Алғашқы эталондарды сақтау кезінде бірліктерді көрсету дәлдіктерін жоғарлату мен өлшем беру әдістерін жетілдіру мақсатында басқа елдердің ұлттық эталондарымен қосыла отырып, олардың жүйелі түрде зерттелуі орындалады. Стандарттаудың мәні және оның мақсаттары Стандарттау адамның белгілі саладағы әрекетін жүзеге асыру ретін белгілейді және тәжірибедегі ережелерді анықтайды. Стандарттау бойынша жұмыстардың негізгі түрі - стандартты өңдеу және бекіту. Стандарт - стандарттау объектіге қойылатын талаптарды, ережелерді белгілейтін бекітілген ережелік – техникалық құжат. Ол мына түрде болуы мүмкін: - орындалуға жататын бірқатар талаптарды және ережелер-ді құрайтын құжат; - негізгі физикалық бірліктер немесе тұрақтылар (констан-талар) түрінде мысалы, ампер, абсолюттік ноль (Кельвин); - физикалық салыстыру үшін қолданылатын кейбір заттар немесе құбылыстар. Стандарттар категориялар мен түрлерге бөлінеді. Қазақстан Республикасының мемлекеттік стандарты (МС) республиканың барлық аймақтарында барлық кәсіпорындармен, мекемелермен және ұйымдармен орындалуға міндетті. Салалық стандарт дәл осы саладағы кәсіпорындармен және мекемелермен орындалуға міндетті. Кәсіпорынның стандарты бұл кәсіпорынның немесе кәсіп-орын бірлестікке біріктірген кәсіпорын топқа жататын стандарти-зациялық ережелерді, талаптарды және әдістерді енгізеді. Стандарттаудың негізгі шешетін негізгі мақсаттары мыналар: - өнім мен эксперименттің сапасына қойылатын талаптар-ды белгілеу; - сапа көрстекіштерінің бірыңғай жүйесін белгілеу; - өлшеудің бірлігін және күмәнсіздігін қамтамасыз ету; - мемлекеттік эталондарды құру және мүлде жетілдіру немесе басқа мемлекеттердің эталондарын қолдану ережелерін өңдеу; - физикалық мәндердің бірліктерін қолдану; Физикалық шамалардың түрлері Қоршаған әлемдегі барлық объектілер өзінің қасиеттерімен сипатталады. Қасиет – бұл философиялық ұғым, ол объектінің (құбылыстың, процестің) басқа объектілерден (құбылыстардан, процестерден) айырмашылығы мен ортақтығын байланыстырып, оларға деген қатынасын тауып береді. Қасиет – бұл сапалық дәреже. Процестер мен физикалық денелердің әртүрлі қасиеттерін толығымен көрсету үшін шама деген ұғым енгізілген. Шама – бұл қандай да бір нәрсенің басқа қасиеттері ішінен бөлініп шығатын және толығымен қандай да бір жолмен бағаланатын қасиеті болып табылады. Шама өздігінен берілмейді, ол осы берілген шамада көрсетілген қасиеті бар объектінің ішінен орын алады. Шамалар екі түрге бөлінеді: нақты және идеалды болып. Идеалды шамалар нақты ұғымдардың талдамасы (моделі) болып табылады. Олар әртүрлі жолдармен есептеледі. Нақты шамалар физикалық және физикалық емес болып екіге бөлінеді. Физикалық шама, жалпы жағдайда, табиғи (физика, химия) және техника ғылымында оқытылатын өзіне тән қасиеті бар материалдық объект (процесс, құбылыс) түрінде анықталуы мүмкін. Физикалық емес шамаларға қоғамдық (физикалық емес) ғылымға жататын – философия, социология, экономика және т.б. ғылымдарға тән шамаларды жатқызамыз. МЕСТ 16263-70 стандарты физикалық шаманы сапасы жағынан көптеген физикалық объектілерге ортақ, ал мөлшері тұрғысынан – олардың әрбірінің жеке физикалық объектісінің бір қасиеті ретінде дәлелдейді. Мөлшері тұрғыдан дегенді бір объектінің қасиеті нақты шамада басқа объектіден жоғары немесе төмен болуы мүмкін деген мағынада түсінеміз. Сонда, физикалық шамалар – бұл физикалық объектілер мен процестердің өлшеп алынған қасиеттері, біз олардың көмегі арқылы сол объектіні оқып біле аламыз. Физикалық шамаларды өлшенетін және бағаланатын деп бөлген жөн. Өлшенетін физикалық шамалар бекітілген өлшем бірлігінің мөлшерлі түрде анықталған саны түрінде берілуі мүмкін. Оларды енгізу мен пайдалану мүмкіндігі өлшенетін ФШ-ның ерекше белгісі болып табылады. Қандай да бір себептермен өлшем бірліктерін енгізуге болмайтын физикалық шамалар тек бағалана алады. Бұл жағдайда бағалану деген ұғым ретінде бекітілген ережелер бойынша алынған нақты сандарды берілген шамаға қою операциясын түсінеміз. Шамаларды бағалау шкалалар көмегімен жүзеге асады. Шаманың шкаласы – бұл дәл өлшеу нәтижелері негізінде келісіп алынған мәндердің реттеліп алынған тізбегі. Өлшем бірлігі енгізілмейтін физикалық емес шамалар тек қана бағалана алады. Физикалық емес шамаларды бағалау теориялық метрология есептеріне жатпайтынын айта кеткен жөн. Физикалық шамаларды аса талдап білу үшін оны топтап, олардың жеке топтарының жалпы метрологиялық ерекшеліктерін айқындау қажет. Құбылыстың түрлеріне қарай ФШ келесі топтарға бөлінеді: айғақты; яғни заттардың, материалдардың және олардан алынған бұйымдардың физикалық немесе физика–химиялық қасиеттерін көрсетеді. Бұл топқа масса, тығыздық, электр кедергісі, сиымдылық, индуктивтілігі және т.б. жатады. Кейде бұл ФШ-ды пассивті деп те атайды. Оларды өлшеу үшін өлшеу ақпараттарының сигналы қалыптасатын көмекші энергия көзін пайдалану қажет. Осыдан пассивті ФШ активті түрге түрленеді де, өлшенеді. энергетикалық; яғни өзгерту, беру және энергияны пайдалану процестерінің энергетикалық сипаттамаларын көрсететін шамалар. Оларға ток, кернеу, қуат, энергия жатады. Бұл шамаларды активті деп атайды. Олар өлшеу ақпараттарының сигналына энергия көзін қоспай-ақ түрлене алады. сипаттаушы, процестердің жүруін уақыт бойынша сипаттайды. Бұл топқа әртүрлі түрдегі спектралды сипаттамалар, корреляциялық функциялар және т.б. жатады. Физикалық процестердің әртүрлі топтарына тиістілігіне қарай ФШ кеңістікті-уақытша, механикалық, жылулы, электрлі және магнитті, акустикалы, жарықты, физика-химиялық, сәлеле-нуді иондаушы, атомды мен ядерлі физикалы болып бөлінеді. Басқа шамалардан шартты тәуелсіздігінің дәрежесіне қарай ФШ негізгі (шартты тәуелсіз), туынды (шартты тәуелді) және қосымша шамалар болып бөлінеді. Қазіргі уақытта ӨЖ жүйе-сінде негізгі шамалар ретінде алынған жеті физикалық шамалар қолданылып келеді, олар: ұзындық, уақыт, масса, температура, электр ток күші, жарық күші және заттың мөлшері. Қосымша физикалық шамаларға жазық және денелік бұрыштар жатады. Өлшемділігіне қарай ФШ өлшемдік, яғни өлшемділігі бар, және өлшемсіз болып бөлінеді. Өлшеу шкалалары Тәжірибеде денелердің, заттардың және құбылыс пен процестердің қасиеттерін сипаттайтын әртүрлі шамаларды өлшеу қажет. Алдыңғы тарауда айтып өткендей, кейбір қасиеттер тек сапалы түрде, басқалары мөлшерлі түрде көрсетіледі. Кез-келген қасиеттің әртүрлі түрде көрсетілуі (мөлшерлі және сапалы) элементтері реттеліп алынған сандар көпмүшесін құрайды немесе жалпы жағдайда шартты белгілері осы қасиеттердің өлшеу шкалаларын құрайды. Көптеген қасиеттердің өлшеу шкалалары ФШ-ның шкаласы болып табылады. Физикалық шаманың шкаласы – бұл дәл өлшеу нәтижелері негізінде келісіп алынған физикалық шамалардың мәндерінің реттелген тізбегі. Өлшеу ақпараты Өлшеу кезінде «Ақпарат» ұғымы қолданылады. Ақпарат дегеніміз – объекті туралы алғашқы анық емес ілімдерді азайтатын мәліметтер жиынтығы болады. Ең маңызды болып саналатын мәліметтердің бірі өлшеу жолымен алынатын объектілердің қасиеттерінің санаулы сипаттамалары туралы болып саналады. Осындай мәліметтер біздің біліміміздің жоғарлап, ал объектілер туралы ілімдердің анықсыздық дәрежесін азайтады, яғни өлшеу ақпараттық процесс болып табылады. Өлшенетін физикалық шамалар мәні ақпаратты өлшеу нәтижесі деп аталады. Ақпараттың материалдық тасымалдаушысы болып сигнал табылады. Жалпы мағынада, уақытта ағып жататын физикалық процесс дегеніміз сигнал екенін түсіндік. Өлшенетін физикалық шамамен қосыла өзгеретін сигналды өлшеудің ақпараттық сигналы деп, ал өлшенетін шамамен функционалды байланысы жоқ сигналды ақпаратық емес параметр деп айтамыз. Физикалық шамалар мен олардың бірліктер жүйесі Ғылымда, техникада және күнделікті өмірде адам бізді қоршаған физикалық объектілердің әртүрлі қасиеттерімен кездеседі. Бұл қасиеттерге объектілердің бір-бірі арасындағы өзара әсерлесу процестері жатады. Олар тікелей физикалық шамалармен беріледі. Әрбір объект үшін физикалық шамамен берілген қасиеттерін мөлшерлі көлемде орнату үшін метрологияда олардың өлшемдері мен мәндері деген ұғым енгізілген. Физикалық шаманың өлшемі – берілген объектінің “физикалық шама” деген ұғымға сәйкес алынған қасиетінің мөлшерлі мәні. Мысалы, әрбір дененің нақты бір массасы болады, осыдан денелерді массасы бойынша ажыратуға болады, яғни бізді қызықтыратын ФШ-ның өлшемі бойынша. Физикалық шаманың мәні – ол оның бірлігі түрінде алынған қандай да бір сан түрінде берілген өлшемін бағалау. Оны өлшеу нәтижесін немесе ФШ-ның Q мәнін q санды мән мен өлшем бірлігі таңдап алынған [Q] араларын байланыстыратын Q = q[Q] негізгі өлшеу теңдеуіне сәйкес есепті шешу нәтижесінен аламыз. Өлшем бірлігіне байланысты ФШ-дың сандық мәні өзгереді де, өлшемі сол күйінде қалады. Физикалық шамалардың бірліктері – бұл белгілі өлшемдегі ФШ, оның өлшемі бірге тең, ол біртекті ФШ-ды мөлшерлі түрде беру үшін қолданылады. ФШ бірліктерінің өлшемдері мемлекеттік метрологиялық басқармалардың заңға сәйкес бекітілген жолдарымен қойылады. Жалпы еркін түрде негізгі деп аталатын бірнеше ФШ дә-лелденген, қалған туынды деп аталатын шамалар негізгі бірліктер-мен арасындағы белгілі бір байланыс теңдеуі негізінде анықтала-ды. Туынды шамаларға мысал болып: заттың тығыздығы, ол көлем бірлігі болып табылады және заттың массасы ретінде анықталған, уақыт бойынша жылдамдықтың өзгеруінің үдеуі және т.б. жатады. Физикалық шамалар жүйесінде негізгі шамалардың символдары қолданылады. Мысалы, негізгі шамалар болып ұзындық (L), масса (М) және уақыт (Т) алынатын механикалық шамалар жүйесі LMT жүйе деп аталады. ФШ-дың ережелерге сәйкес алынған негізгі және туынды бірліктер жиынтығы физикалық шамалардың бірліктер жүйесі деп аталады. Негізгі ФШ-дың бірлігі жүйенің негізгі өлшем бірліктері болып табылады. Қазіргі уақытта дүние жүзінің көптеген мемлекеттері халықаралық бірліктер жүйесі – SI жүйесіне біріккен. Бұл жүйенің негізгі өлшем бірліктері 3.1-кесте көрсетілген. |